第二十章　双缝

5月6日 17︰03，404厂文化宫。文化宫离中学很近，五分钟的路程。就在王瑞三人陷在物理实验室时，厂职工合唱队站上了舞台，一片喧闹。合唱队在前几天的德阳市劳动节国企歌咏比赛中得了第一，要代表本市国企和政府单位去参加省里的比赛，厂工会专门组织合唱队下午脱产排练一小时。队员都是404的普通工人，乐得享受公派休息时间。经历了地震，从各个分厂集合起来的合唱队队员自然聒噪非常，各路小道消息疯传。指导老师用指挥棒敲了敲指挥台的桌面，四下这才终于安静下来，大家挺胸抬头，显出新时代工人的气势来。老师满意地点头，打了打拍子，“起。”文化宫一片空旷，《爱我中华》的伴奏回**在无人落座的剧场。老师示意（女声部起）：爱我中华朝另一边挥手（男声部起）：赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗双手（一起）：五十六个民族五十六枝花五十六族兄弟姐妹是一家五十六种语言汇成一句话爱我中……音乐突然被掐断了，老师挥着指挥棒用力抽打台面，发出令人烦躁的噪音。“干什么？昨天都没睡觉吗？瞎唱些什么？词都忘光了？”合唱团的团员有些犯愣。老师伸手一指前排第一男领唱，“你，第一句。”“五十六个民族，五十六枝……”老师的指挥棒马上就啪啪啪敲起来，“搞什么啊！第一句，词是什么？”“五十六个民族，五十六枝花啊。”“昨天都没睡觉是吧？”老师大怒，“五十六个星座，五十六枝花！哪里来的五十六个民族？怎么上一周排练还好好的，这周连词都给忘了？地震这么厉害吗？把你们的脑子都震坏了？！”下面一片叽叽喳喳，“五十六个星座？不是五十六个民族吗？”“哪里来的五十六个星座？五十六个星座什么意思？”“就是啊……”一位年纪比较大的队员叫道：“你记错了，老师，爱我中华爱我中华，中国是五十六个民族啊，又不是小孩儿看的《圣斗士》，哪来的五十六个星座哦。五十六个星座是啥意思哦？”“就是，就是。叶老师是不是天天陪儿子看《圣斗士》动画片看多了？”“你还别说，人家日本做的动画还真有点好看，哈哈哈哈……”叶老师脸上一阵发青，难道是自己记错了？也是，《爱我中华》，五十六个民族，跟星座有什么关系？他一阵心慌，翻开歌谱：爱我中华赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗五十六个星座，五十六枝花五十六种语言汇成一句话爱我中华爱我中华爱我中华嗨 嗨罗嗨罗嗨嗨 嗨罗嗨罗嗨嗨 嗨罗嗨罗嗨爱我中华五十六个星座，五十六枝花五十六族兄弟姐妹是一家爱我中华，健儿奋起步伐爱我中华，建设我们的国家爱我中华，中华雄姿英发爱我中华没错，叶老师定了心，又敲了敲台子。“自己看歌谱！没带的过来拿。哪有五十六个民族这个词儿，全歌从头到尾都没出现过五十六个民族！”队员们当然不信，嘻嘻哈哈地翻开歌谱。可从头看到尾，从尾看到头，“五十六个民族”一次也没有出现过。最接近的只有“五十六族兄弟姐妹是一家”。一时间，迷惑的声浪从四处传来。排练了这么久，怎么一下所有人都记错词儿了呢？叶老师气得胸闷。不过 “五十六个星座”，到底是什么意思呢？从实验楼传来的震波的尾峰将404文化宫一扫而过，无声无息地去了。当合唱队为歌词的小事疑惑时，刘子琦正死死盯着讲台上的实验器材。中间是两块不透明挡板，第一块挡板上有一条窄缝，第二块挡板上有两条平行窄缝。缝很细，不仔细看根本看不出来——这就是双缝干涉的“双缝”了。这还是他第一次看到示意图以外的实物，没有任何特殊之处。谢老师一面调整着器材的轨迹，一面干笑道：“来，让我听听谭老师的高徒怎么讲解双缝实验，说不定也能‘取长补短’呢。”这话说得有失老师的身份了，但他实在是气不过。教了快二十年的书，校长叫他跟一个刚毕业的丫头片子“取长补短”。小丫头片子不就上了个清华吗？当年考师专未必就比现在的清华容易。刘子琦顾不得老师间的恩怨，朗朗开口道：“根据我看书的理解，双缝干涉，是证明光具有一种叫‘波粒二象性’特性的实验。”谢老师点头，却望向谭老师说：“初二能说出‘波粒二象性’就不容易。但光知道词没用，我以前班上有个学生说自己会微积分，真一问，连什么是连续、什么是可导都说不出来。”说罢才又看着刘子琦，“我问你，‘波粒二象性’这个词什么意思你知道吗？”“不是很清楚。”谢老师刚要笑，只听刘子琦接着说，“我看书上说，是微观的基本粒子——比如光子、电子——它们具有粒子的特性，就像一个一个小球那样是独立一颗一颗的，但同时又具有波的特性。所以光既是粒子，又是光波。书上是这么说的，但我不是特别懂。”“你不是特别懂……”谢老师闻言仔细看了他两眼，“懂不懂的，至少没背错。双缝干涉是证明波粒二象性的，可怎么证明的呢？”李勇偷偷拉住王瑞，把声音压得极低，“这是干什么啊？我们快走啊。”王瑞这时隐隐察觉刘子琦自有用意，便悄悄按住李勇的手腕，让他少安毋躁。一旁的谭老师则古怪地看着谢老师和刘子琦，若有所思。“我就是没懂这个。我看书上说，双缝干涉是用一束相干性好的平行光束——最好是激光，”他指了指激光发射器，“用它照射一块有平行双缝的挡板，对吧？”说着又指了指中间的挡板，“缝的宽度要接近或者小于光波的长度。所以用波长比较长的红色激光发射器，这样缝的宽度才容易接近，对吧？然后当平行激光束通过缝隙，射到后面屏幕上，就有两种可能，对吧？”他指着最后的幕布挡板，“第一，如果光不是波，就应该生成两个单缝的图案，就等于两个单缝图案相加，对吧？第二，如果光是波，那么通过平行双缝以后，它就会从两个缝的位置发生干涉，形成两个干涉波。这两个干涉波纹在后面的屏幕上叠加，就会因为相位差的缘故，形成明暗相间的条纹，对吧？”刘子琦一口一个“就是没懂”，一口一个“我看书上说”，又不断“对吧对吧”，但语速却越来越快。谢老师越听越心惊，短短一段话里涉及好些概念，可他说得丝毫不差。实验里用红色激光的几个原因、波衍射发生的条件、干涉条件，都说得一点不错。自己班上正式学过的学生有几个能说得这么清楚？至少有一大半是做不到的。谭老师也困惑不已，越听眉头皱得越紧。“我看你挺懂的，”谢老师收敛了笑容，冷言道，“这还哪里不懂？”“可我不明白，这个实验不是只证明了光的波动性吗？跟波粒二象性有什么关系？不是说……双缝干涉跟什么学院派解释……”刘子琦的声音突然小了，偷瞄了王瑞李勇他们一眼，“什么波函数状态，量子既在这里又同时在那里……”李勇还没什么反应，王瑞愣了半秒，眼睛都瞪圆了。既在这里，又同时在那里？可现在不是他发问的时候，只听谢老师道：“你这是在问我吗？”“啊？”刘子琦一时有点不太明白，“问您也行，问谭老师也行啊。”他没明白，谢老师的“问”是“考问”的“问”，不是“询问”的问。“谭老师当然是懂的，那还是问我好了。”谢老师冷哼一声，“你前面看的都没错，记的和理解的也都很好，但是你搞错了一件事。”他一边说着，一边调试实验设备，然后打开了激光器的电源。红色激光从激发口射出，却没看到电影里那种从空中穿过的光柱。一个浑圆红斑亮在前面的单缝挡板上，其后的双缝挡板上则是一片淡淡的光。在挡板后面的不远处，幕布上显出模模糊糊的两个交叠环形光斑。设备还没调试到最佳状态，双缝干涉实验最不好调，经常折腾个把钟头也没落下好结果，这已经算是不错的了。最后，谢老师又稍微拨弄了一下几个物件的相隔距离，幕布上的条纹这才明显起来。两个环形衍射条纹交叠成了明暗相间的格子，有点像马戏表演中催眠的圈。“双缝干涉实验的确是证明量子力学很多基本概念的基石。费曼说通过双缝实验可以看到量子世界的奥秘，包含了量子力学的核心思想，不管是波粒二象性，还是哥本哈根学派的波函数坍缩解释，甚至是态叠加，都可以通过双缝实验来证明。谭老师，我说的对吧？”谭老师的嘴唇微微动了一下，又忍住了。谢老师一心想要趁机证明自己虽不是名牌大学毕业，但潜心教学二十年懂的可不比什么清华北大的少，便干脆尽心卖弄起自己的本事来：“但问题是这样，这位同学看的这个实验呢，只是高中物理课本上的。历史上，这个实验最早是在1801年由托马斯?杨完成的。你刚才说，怎么看这个实验都只是证明了光的波动性，跟波粒二象性没关系。你说得对，说明你确实懂了。”稍顿，又不甘心地补充道，“不管是听别人讲懂的，还是自己看书懂的，反正是懂了。1801年这个实验完成时，就是为了证明光的波动性，跟波粒二象性没有任何关系。1801年爱因斯坦都没出生，哪来什么波粒二象性？“这些不是课本里的内容，我虽然不是正经的物理高才生，但既然当老师，还是可以勉强说两句。最初经典力学上的双缝干涉跟量子理论没有关系，但后来德布罗意提出物质波的概念，认为一切物质都有波粒二象性，那么不光光子是波，能发生双缝干涉，其他基本粒子也都是波。既然都是波，光子会发生双缝干涉，那其他粒子，比如电子在理论上也会发生双缝干涉……对吧？”谢老师被刘子琦刚才那一连串“对吧”弄得心烦，这时也学来回敬。但这里概念太多，他并不指望初中生能听懂，而是说给谭老师听。“所以后来，双缝干涉就衍生出了后续的量子力学层面的实验设计，这才跟你刚才说的‘波粒二象性’有了关系。实验发射电子束，我们都知道，电子是一种基本粒子，最小单位是一个电子，带一个负电荷。密立根的油滴实验确认了电荷有最小基本单位，证明了电子作为独立粒子的存在，这也是高中电学内容，你也知道吧？”李勇早就云山雾绕，哪里还管他们在说什么。王瑞在一边点头，心里却被那句突然出现的“在体内发生的β辐射会直接被细胞吸收，自由电子没有那么大的穿透性”所占据。不由一股寒意袭来，身子一哆嗦。刘子琦却没什么反应。“不愧拿过奥赛一等奖。”谢老师这话不知算褒算贬，“用电子束代替了光，也通过双缝——我们实验用的这种双缝就不行了，需要能让电子发生衍射的超细孔径的双缝，然后显示屏幕上测到了电子束的波纹，也是明暗相间的干涉波纹。这就证明了，电子这类基本粒子也是波，就叫波粒二象性。明白了吗？”刘子琦沉默了一会儿，虽然话里的意思自己没有不明白的，但仍然没有回答自己真正的疑问。为什么父亲的纸片上提到双缝实验，双缝实验也许藏着跟那东西本质有关的秘密？他查资料的时候看到了“同时既在这里又在那里”之类的描述，自然想到了薛晶的情况。现在薛晶病重，情况不明，所以他才想到从双缝实验这里能弄懂些什么。听了半天，确实收获了一些自己查不到的东西，但并没有跟自己未知的部分关联上。刘子琦总觉得还是少了些什么，想要再问，却不知从何问起，不由露出一副不甘心的模样。谭老师任由着谢老师自说自话地为难自己的学生，一直冷眼旁观不发一言。这时候见刘子琦欲言又止，突然开口道：“你们三个，是还有什么想知道的吗？”他们被谭老师看破了什么。有当然是有，但刘子琦却不知道怎么开口，一时愣住。谢老师不知她这话什么意思，也有些吃惊。谭老师等了片刻，不见人说话，于是说道：“谢老师把双缝干涉讲得很清楚了，我没什么经验，讲不了这么好。不过有一些课堂外的小知识，我可以补充一下。”她目光扫过王瑞、刘子琦、李勇，若有所思。“量子力学的秘密，都在双缝干涉实验里。刚才谢老师说了电子束的双缝干涉实验，证明了基本粒子的波粒二象性。前些年，这个实验在国外完成了进一步的延伸，也是用电子，但不是电子束，而是用单电子。”单电子三个字一出，刘子琦心中又是突突一跳。从父亲那里偷来的纸条上有“单电子假说”几个字，莫非有关系？他竖起了耳朵。听谭老师接着讲：“以前的老设备是发射电子束进行双缝干涉，一束电子束里面是有很多电子的。所以干涉条纹被认为是同一时间里通过一条缝的一部分电子，和通过另一条缝的另一部分电子之间发生的干涉。”她说话间指了指挡板间的两条缝，“这个能明白吧？”王瑞和刘子琦齐齐点头，李勇早已心不在焉，自然是没有反应。“新的实验设备变成了每次发出一个单独的电子，这个单电子朝这样的双缝挡板射过去，会发生什么？”她没有理会谢老师，只问自己的三个学生，他们显然不知道怎么回答。谢老师并不知道这后面的新衍生实验，也不知道原来已经有设备能每次发出一个单独电子了，听谭老师说到便有些失落，至少在这方面，自己还是有不如人的地方。他知道初中生是没法回答的，自己就接了过来，“电子具有明显的量子特性，波动性明显，单独一个电子穿过窄缝就会有明显的衍射特征，对吗？”“单独电子……”王瑞终于插嘴问，“怎么表现波的衍射特征呢？”“非常好的问题。”谢老师答道，看了一眼谭老师，“一个电子穿过缝发生衍射很难看出来，因为最后打在幕布上的就只有一个点。但从统计概率上却可以表现出来，每次一个电子在后面屏幕留下一个点，电子最后留下的轨迹多了，很多点在一起形成图案，就能显出衍射样式特征了。这在统计上就证明了它的波的性质。”“谢老师说得很好。”谭老师继续讲解，“那这么一个单电子发射装置进行的双缝实验，每次发射一个电子，在连续发射很多个电子之后，最后屏幕上累计下来的统计轨迹，还是类似我们现在看到的明暗相间的干涉图案吗？”这问题让谢老师愣住了。刘子琦一边努力跟上，一边低声喃喃自语帮助思考，手指也紧张地揉搓着，“每次一个电子，这个电子经过双缝挡板……只能经过一个缝。那只能通过一个缝发生衍射。另外一个缝没有电子穿过，也就没有衍射波。这样的话，电子就没有东西跟它干涉了。这样的话……其实就是两个单缝衍射实验叠加在一起，没有干涉发生……”他略微思索了一会儿，“所以，这样的实验结果，应该是没有明暗相间的干涉图案，谭老师，我说的对吗？”谭老师听他这一席话吃了一惊，且不说这些概念都是靠他自学理解和掌握的，光是初中生能有这么清楚的思维，这能力就非常惊人。她这时想起了这孩子是转学过来的，父亲是外调专家。谭老师正要说话，却听见另一边王瑞抢先道：“不对，不是这样。”王瑞低着头，没有看任何人。“不是这样，结果还是会出现干涉图案。虽然是每次一个电子，但最后还是会出现干涉。”这回答惊得谭老师一震。连谢老师都不是很明白，这真的到了他也赶不上的领域，只好有些不服气地望向谭老师，似乎等着看她的笑话。“不可能！”刘子琦争辩道，“每次一个电子，只能通过一个缝，另一个缝就没有电子发生衍射了。没有另一个电子跟它干涉，怎么可能还有干涉图案呢？”王瑞说出了一句连自己也不明白的话：“它自己会跟自己干涉。”他浑身发抖，因为这时候他已经清楚明白地知道，这句话不是来自大脑，而是从什么地方飘进来的。那些本不应该知道的东西就这么莫名其妙地浮现出来，他完全不懂这话是什么意思。“你怎么了？”李勇和刘子琦都察觉他不对劲，悄声问。他也不回答，而是昂起头问道：“谭老师，我说的没错吧？一个电子通过双缝的时候，它会自己跟自己发生干涉，就像同时通过两条缝一样。”刘子琦皱眉不解其意，连谢老师都有些含糊，谭老师却已经在点头，“你说得对，这个实验最后还是出现了干涉条纹。王瑞，我问你，一个电子，怎么能同时通过两条缝？一只老虎怎么同时跳过两个火圈？原因呢？”一只老虎怎么同时跳过两个火圈？这完全超过了人类能用正常思维理解的范围。别说李勇，刘子琦和谢老师都彻底蒙了，想不下去了。“态……态叠加。”王瑞答道，这三个字就像自己长了腿，从他的嘴溜了出来，“量子波函数的多个状态呈概率叠加，穿过两条缝的两种态同时存在，电子以态叠加的方式自己和自己发生了干涉。”文字从他嘴里一个一个蹦了出来，但他真的不明白自己在说什么。这些话就像从别人嘴里听到的一样，他只明白一点，自己的声音让他感到莫大的恐惧。王瑞嘴里说出来的内容自己绝没在任何地方学过，没有在任何地方看过，只是当这个题目在眼前出现的时候，这些知识就毫无征兆地冒了出来。也许这才是他接触了那个东西后得到的力量。如果是那样的话，测不到的辐射就正在摧毁他的身体。王瑞不知道这二者哪个更可怕。谭老师也察觉到这几个孩子情况不对，正想问话，王瑞突然脸色一变，猛地拉过旁边的李勇和刘子琦，匆忙叫道：“对不起！谭老师，谢老师，我们有急事！必须要走了！”说话间头也不回，王瑞像是强架着李勇他们往外跑，老师们还没明白怎么回事，三个孩子转眼就不见了。谭老师愣在实验室里。有什么不对。很不对。跟其他老师不同，她本来是不喜欢王瑞的。她是一个清华人，自幼是“别人家的孩子”，大学以后更是见惯了各种天才异数，自然对王瑞这种级别的“聪明”不怎么当回事。在她眼里，得什么奖，考多少分，都算不得什么。别的老师会夸“这是考清华北大的料子”，这话在谭老师那里却起了反作用，清华北大又怎么样呢？毕业了家里没点背景，不也就这么回事儿？但今天，她隐隐感觉到古怪的味道。这不像是单纯对知识的兴趣，更不是普通初中生能死记硬背理解的内容。连谢老师都说不明白的东西，这孩子说了个有模有样，但神色表情哪里都不正常。这到底怎么回事儿？也许教书这件事，并不是自己以为的那样。一念及此，谭老师心里有什么坚硬的东西松动了。正想着，谢老师在一边说道：“小谭啊，你的学生真是了不得，居然比我都知道得多。”他已经从刚才的震惊中恢复过来，露出了微笑，“刚才那学生说的态叠加，我也不太懂。要不，你给我介绍介绍？我真是不太明白。”原本跟自己较劲，转眼就自承其短，想要学习起来，谭老师不禁有些佩服这位比自己年长了十多二十岁的老教师。“那东西太难解释了，波函数什么的，一说到数学工具，上课就越讲越没人听。”她和气地笑道，“还不如讲双缝干涉实验的量子擦除版呢。”“量子……擦除？那又是什么？我真是井底之蛙了。”谢老师坦然摇头。“说起来简单得很，就是刚才每次发射一个电子的双缝干涉的进一步实验构想。”“这还有进一步？”“对。刚才说，每次发射一个电子，通过双缝的时候因为波函数的态叠加，电子自己和自己发生了干涉，对吧？”她不觉也加了“对吧”这口头禅，“量子擦除，是指在电子通过双缝的时候，利用某种不干扰电子行为的手段，侦测电子通过了哪条缝。”谢老师隐隐觉得再说下去就有些邪门了，“但是态叠加……”“态叠加是波函数的纯数学逻辑。如果用观测手段来观察电子通过双缝的行为，你只会看到两种可能，这个电子要么从这条缝通过，要么从那条缝通过。”“那……干涉……”“没有了干涉条纹。”谭老师说，“同样的实验，同样的设计，当你观测电子的行为时，决定电子行为的波函数态只会得到一个本征值。只有在不观测的时候，波函数的概率态才会同时存在，实现自我干涉。”“这……这不科学啊！”“唉……”谭老师叹了一口气，心中对那几个孩子更是疑惑。她随口答道：“这不是不科学，这只是听起来不合逻辑而已。说不定应该反过来说，量子力学是对的，而我们的传统逻辑才全是错的。”她想起自己当年上过的量子力学课来，说道：“没人能懂量子力学。”“这算是什么话？”“这不是我说的，是费曼，那个量子力学的创始人之一的理查德?费曼，他说的。”谭老师一边跟谢老师聊着，心里却想着那群孩子。她这才意识到，自己之前从来没有关心过那群孩子。